JP2017512277A - Gaseous fuel combustion system for internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
同様な排気量のオットーサイクルエンジンに比べて出力、トルク及び効率が大きいディーゼルサイクルエンジンは既知である。燃料が天然ガスのような気体燃料である場合、気体燃料式ディーゼルサイクルエンジンにおける点火を助長させるのに、通常(ディーゼルのような)パイロット燃料が必要となる。ディーゼルサイクルエンジンと気体燃料式オットーサイクルエンジンとの間の出力、トルク及び効率の格差を低減させるのが有利である。気体燃料式内燃エンジン用燃焼装置には、シリンダボアと、シリンダヘッドと、シリンダボア内で往復運動するピストンとで規定された燃焼室を設ける。シリンダボアの直径は少なくとも90mmとし、この直径とピストンのストローク長との間の比は多くとも0.95とする。チャージを燃焼室に供給する少なくとも1つの吸気流路を設け、少なくとも1つの吸気弁をシリンダヘッド内に形成するとともに吸気流路と協同させて燃焼室内に顕著なタンブルの流れ運動を生ぜしめるようにする。【選択図】図2Diesel cycle engines are known which have greater power, torque and efficiency than Otto cycle engines of similar displacement. When the fuel is a gaseous fuel such as natural gas, a pilot fuel (such as diesel) is usually required to facilitate ignition in a gas fueled diesel cycle engine. It would be advantageous to reduce the output, torque and efficiency gap between a diesel cycle engine and a gas fueled Otto cycle engine. A combustion apparatus for a gas fuel type internal combustion engine is provided with a combustion chamber defined by a cylinder bore, a cylinder head, and a piston that reciprocates within the cylinder bore. The diameter of the cylinder bore is at least 90 mm and the ratio between this diameter and the stroke length of the piston is at most 0.95. At least one intake flow path for supplying charge to the combustion chamber is provided, and at least one intake valve is formed in the cylinder head and cooperates with the intake flow path to produce a significant tumble flow motion in the combustion chamber. To do. [Selection] Figure 2
Description
本発明は、気体燃料式内燃エンジン(内燃機関)用の燃焼装置に関するものである。 The present invention relates to a combustion apparatus for a gas fuel type internal combustion engine (internal combustion engine).
吸気チャージの流れは、気体燃料式内燃エンジンの性能に大きな影響を及ぼす。空気と、場合によっては排気ガスと、気体燃料とを混合することにより燃焼室内の燃焼特性に影響を及ぼす。吸気ストローク(吸気行程)中、及びその後の圧縮ストローク中での燃焼室内のチャージ運動は、気体燃料の混合レベル及び特性を決定する。エンジンマップのある部分では、空気‐燃料のチャージを均一にするのが望ましく、このエンジンマップの他の部分では、点火装置付近での燃料チャージを層状にすることによりエンジンの性能を改善し、このエンジンマップの更に他の部分では、空気‐燃料の混合体を局所的に濃くし、大域的には薄くすることによりエンジンの性能を更に良好にする。激しい乱流を生ぜしめることは、点火過程を安定化するとともに、特に希薄燃焼の場合に火炎前面の伝搬速度(火炎速度)を高速にするために重要な要因となる。シリンダ内でチャージ運動を生ぜしめる2つの技術はタンブル運動及びスワール運動として知られている。タンブル運動及びスワール運動は、タンブル比及びスワール比としてそれぞれ知られているシリンダ内部の回転及び角運動を定量化するのに用いられる無次元数で表すことができる。これらの双方の値は、シリンダ内の空気の運動の実効角速度をエンジン回転速度で割ったものとして計算される。 The flow of intake charge has a great influence on the performance of a gaseous fuel internal combustion engine. Mixing air, possibly exhaust gas, and gaseous fuel affects the combustion characteristics in the combustion chamber. The charge movement in the combustion chamber during the intake stroke (intake stroke) and during the subsequent compression stroke determines the mixing level and characteristics of the gaseous fuel. In some parts of the engine map, it is desirable to have a uniform air-fuel charge, while in other parts of the engine map the engine charge is improved by stratifying the fuel charge near the igniter. In yet another part of the engine map, the engine performance is further improved by locally enriching the air-fuel mixture and making it globally thinner. The generation of intense turbulence is an important factor for stabilizing the ignition process and for increasing the propagation speed (flame speed) in front of the flame, particularly in the case of lean combustion. Two techniques for generating charge motion in a cylinder are known as tumble motion and swirl motion. Tumble motion and swirl motion can be represented by dimensionless numbers used to quantify rotational and angular motion inside the cylinder, known as tumble ratio and swirl ratio, respectively. Both of these values are calculated as the effective angular velocity of the air motion in the cylinder divided by the engine speed.
点火装置を囲む燃料の成層化を採用する直接噴射式のライトデューティ(小型)ガソリンエンジンに対しタンブル運動を用いることは既知である。バーティカルスワール又はバレルスワールとも称されるタンブル運動では、シリンダ内の吸気チャージの回転軸線はシリンダ軸線に対して直交している。本明細書では、ライトデューティエンジンとは、シリンダボアの直径(内径)が90ミリメートル(mm)よりも小さいエンジンを意味する。燃料の成層化は、火花点火エンジンにおける希薄燃焼の限界を広げる有効な技術であり、従って、燃料節約を増大させ、且つ従来のライトデューティガソリンエンジンに比べて排気物質を低減させる。タンブル運動は、圧縮ストロークにおいて比較的希薄でも壁面近傍の流速を高レベルにし、これにより、燃料噴霧の衝突により形成される燃料の壁面膜の蒸発を助長しうるようにするのに有効となりうる。 It is known to use tumble motion for a direct injection light duty (small) gasoline engine that employs fuel stratification surrounding the igniter. In the tumble motion, also called vertical swirl or barrel swirl, the rotation axis of the intake charge in the cylinder is orthogonal to the cylinder axis. In this specification, the light duty engine means an engine having a cylinder bore diameter (inner diameter) smaller than 90 millimeters (mm). Fuel stratification is an effective technique for extending the limits of lean combustion in spark ignition engines, thus increasing fuel savings and reducing emissions compared to conventional light duty gasoline engines. The tumble motion can be effective to increase the flow velocity in the vicinity of the wall surface, even relatively lean in the compression stroke, thereby facilitating evaporation of the fuel wall film formed by the fuel spray collision.
1996年9月10日発行の米国特許第5,553,580号明細書(発明者:Ganoung)には、ライトデューティエンジン用の正味燃料消費率を低減させるために採用された、ガソリンエンジンのための高スキッシュ(squish)エリアのバレル成層化燃焼室が開示されている。2つの吸気弁が、タンブルポートとして構成されたそれぞれの吸気流路と流体連結している。これらの吸気流路の1つ内にガソリンを導入することにより、シリンダ内にバレル成層化チャージが生ぜしめられ、成層化したバレルスワールが、非対称的に位置する点火プラグ(スパークプラグ)の付近に形成される。バレルスワールは燃焼速度を速めず、むしろ点火プラグの点火時にシリンダ内での空気‐燃料チャージの成層化を助長する。スキッシュエリアが大きいと、燃焼中に乱流強度が高められることにより燃焼速度を速める。 U.S. Pat. No. 5,553,580 issued Sep. 10, 1996 (inventor: Ganoung) describes a gasoline engine employed to reduce the net fuel consumption for a light duty engine. A barrel stratified combustion chamber in a high squish area is disclosed. Two intake valves are fluidly connected to respective intake passages configured as tumble ports. By introducing gasoline into one of these intake channels, a barrel stratified charge is generated in the cylinder, and the stratified barrel swirl is located near an asymmetrically located spark plug (spark plug). It is formed. Barrel swirls do not increase the combustion rate, but rather help stratify the air-fuel charge in the cylinder when the spark plug is ignited. Large squish areas increase combustion speed by increasing turbulence intensity during combustion.
ディーゼルサイクル(圧縮点火)のヘビーデューティ(大型)エンジンに対してスワール運動を用いることは既知である。スワール運動では、シリンダ内の吸気チャージの回転軸線はシリンダ軸線である。本明細書では、ヘビーデューティエンジンとは、シリンダボアの直径が120ミリメートル(mm)よりも大きいエンジンを意味する。スワール運動は、エンジンからの粒子状物質(PM)の放出を低減させるものとして知られている。圧縮点火エンジンでは、高噴射圧力を採用し、これにより液体燃料の場合に液滴分裂を改善し、液体及び気体の双方の燃料の場合に高噴射圧力により噴霧中の空気/燃料の混合を改善するとともに燃焼室内の乱流強度を高めるようにする傾向がある。このことは、特に、燃焼システムが高PMを放出することなく低い空気‐燃料比の状態に対処する必要がある際の過渡状態中に重要となるものである。スワール運動を採用すると、高噴射圧力を用いている際でも、ある過渡状態の下でPM生成作用を低減させることができる。スワール運動に対して設計したエンジンをタンブル運動に変換するには、吸気流路に対する向きを異ならせる必要があり、このことによりシリンダヘッドを異ならせる必要がある。新たなシリンダヘッドが必要となることは、ミディアムデューティ(中型)エンジン及び大型エンジンに対しこの技術を用いる実験を妨害するものである。その理由は、ディーゼルエンジンが最も有効な内燃エンジンであると既にみなされている為である。 It is known to use swirl motion for diesel cycle (compression ignition) heavy duty (large) engines. In the swirl motion, the rotation axis of the intake charge in the cylinder is the cylinder axis. As used herein, a heavy duty engine means an engine having a cylinder bore diameter greater than 120 millimeters (mm). Swirl motion is known to reduce particulate matter (PM) emissions from the engine. Compression ignition engines employ high injection pressures, which improve droplet breakup for liquid fuels, and improve air / fuel mixing during spraying with high injection pressures for both liquid and gaseous fuels In addition, there is a tendency to increase the turbulence intensity in the combustion chamber. This is especially important during transient conditions when the combustion system needs to deal with low air-fuel ratio conditions without releasing high PM. Employing swirl motion can reduce the PM generation action under certain transient conditions even when high injection pressure is used. In order to convert an engine designed for swirl motion into tumble motion, it is necessary to change the direction with respect to the intake flow path, which requires different cylinder heads. The need for a new cylinder head interferes with experiments using this technology for medium duty engines and large engines. The reason is that the diesel engine is already regarded as the most effective internal combustion engine.
エンジン設計の1つの目標は、性能(馬力及びトルク)を殆ど損なうことなくシリンダの排気量を削減させることにある。燃料費及び通りの混雑が高まるのに応じて、車両の運転手は、大型の車両と同じであるが燃料が節約された全体の性能が得られるようにしたより一層小型の車両を要求する。代替の気体燃料は、多くの管轄におけるガソリン及びディーゼル燃料エンジンにより支配されている自動車マーケットセグメントにおいて新たな分野を益々見いだすものである。ライトデューティ分野では、ポート噴射式天然ガスエンジンがアフターマーケットセグメントにおいて長い歴史を有しており、最近ではこれらの車両のOEM版が導入されている。ヘビーデューティ分野では、高圧直接噴射(HPDI)式エンジンシステムがディーゼル燃料エンジンの性能に適合しており、ポート噴射式天然ガスエンジンに比べて燃費を向上させる。 One goal of engine design is to reduce cylinder displacement with little loss in performance (horsepower and torque). As fuel costs and street congestion increase, vehicle drivers require smaller vehicles that are the same as large vehicles but provide the overall performance with fuel savings. Alternative gaseous fuels are increasingly finding new areas in the automotive market segment dominated by gasoline and diesel fuel engines in many jurisdictions. In the light duty field, port-injected natural gas engines have a long history in the aftermarket segment, and recently OEM versions of these vehicles have been introduced. In the heavy duty field, high pressure direct injection (HPDI) engine systems are adapted to the performance of diesel fuel engines and improve fuel efficiency compared to port injection natural gas engines.
大型のエンジンに匹敵しうる性能を有するが、特に少なくともミディアムデューティサービスに対して設計されたエンジンのための燃費向上を有する気体燃料エンジンが必要となる。 There is a need for a gaseous fuel engine that has performance comparable to a large engine, but that has improved fuel economy for an engine designed especially for at least medium duty service.
気体燃料式内燃エンジン用の本発明の改善した燃焼装置は、シリンダボアと、シリンダヘッドと、シリンダボア内で往復運動するピストンとで規定された燃焼室を有する。シリンダボアの直径は少なくとも90mmとし、この直径とピストンのストローク長との間の比は多くとも0.95とする。又、チャージを燃焼室に供給するための少なくとも1つの吸気流路を設け、少なくとも1つの吸気弁をシリンダヘッド内に形成するとともに吸気流路と協同させて燃焼室内に顕著なタンブルの流れ運動を生ぜしめる。 The improved combustion apparatus of the present invention for a gas-fueled internal combustion engine has a combustion chamber defined by a cylinder bore, a cylinder head, and a piston that reciprocates within the cylinder bore. The diameter of the cylinder bore is at least 90 mm and the ratio between this diameter and the stroke length of the piston is at most 0.95. Also, at least one intake passage for supplying charge to the combustion chamber is provided, and at least one intake valve is formed in the cylinder head and cooperates with the intake passage to cause significant tumble flow motion in the combustion chamber. Give birth.
本発明の好適な例では、前記比を少なくとも0.75とするか、又は前記直径を120mm以下とするか、或いはこれらの双方を達成する。シリンダボアの行程容積は0.8リットル〜2.5リットルの範囲内とするのが好ましい。気体燃料を少なくとも1つの吸気弁から上流に導入する噴射弁を形成することができる。或いはまた、この噴射弁を燃焼室内に配置して気体燃料をこの燃焼室内に直接導入するようにすることができる。燃焼室内には点火装置を配置して気体燃料及びチャージの点火を助長するようにしうる。本発明の好適例では、点火装置を点火プラグとする。タンブルの流れ運動は2〜5の範囲内の平均のタンブル比を有するのが好ましい。内燃エンジンの最大のエンジン回転速度は2700回転/分とする。各吸気弁は、弁部材及び弁座を有するようにする。この弁座は、25°〜35°の範囲内の弁座角を有するようにする。本発明の好適例では、弁座角を実質的に30°とする。弁座角とポート角との間の差は−5°〜5°の範囲内とする。内燃エンジンの圧縮比は少なくとも11対1とし、好適例では多くとも15対1とする。吸気マニホールドは、内燃エンジンの空気の吸気と流体連通している第1の分配室と、少なくとも1つの吸気流路と流体連通している第2の分配室と、第1の分配室と第2の分配室とを流体連結する拡散器とを有するようにする。燃焼装置は、排気ガスを吸気マニホールドに選択的に供給するEGR弁を有するようにしうる。本発明の好適例では、排気ガスが吸気マニホールドに供給される前に、この排気ガスを冷却するようにする。空気を前記吸気マニホールドに可変的に供給するのにスロットル弁を採用することができる。本発明の好適例では、スロットル弁が、化学量論の気体燃料‐空気の混合体を予め決定した公差内に維持する指令を受けるようにする。 In a preferred embodiment of the present invention, the ratio is at least 0.75, the diameter is 120 mm or less, or both. The stroke volume of the cylinder bore is preferably in the range of 0.8 liters to 2.5 liters. An injection valve can be formed that introduces gaseous fuel upstream from at least one intake valve. Alternatively, the injection valve can be arranged in the combustion chamber so that gaseous fuel can be introduced directly into the combustion chamber. An ignition device may be placed in the combustion chamber to facilitate ignition of gaseous fuel and charge. In a preferred embodiment of the present invention, the ignition device is a spark plug. The tumble flow motion preferably has an average tumble ratio in the range of 2-5. The maximum engine speed of the internal combustion engine is 2700 rpm. Each intake valve has a valve member and a valve seat. The valve seat has a valve seat angle in the range of 25 ° to 35 °. In a preferred embodiment of the present invention, the valve seat angle is substantially 30 °. The difference between the valve seat angle and the port angle is in the range of -5 ° to 5 °. The compression ratio of the internal combustion engine is at least 11 to 1, and in the preferred embodiment is at most 15 to 1. The intake manifold includes a first distribution chamber in fluid communication with the intake air of the internal combustion engine, a second distribution chamber in fluid communication with at least one intake flow path, a first distribution chamber, and a second distribution chamber. And a diffuser for fluidly connecting the distribution chamber. The combustion apparatus may have an EGR valve that selectively supplies exhaust gas to the intake manifold. In a preferred embodiment of the present invention, the exhaust gas is cooled before being supplied to the intake manifold. A throttle valve can be employed to variably supply air to the intake manifold. In a preferred embodiment of the invention, the throttle valve is commanded to maintain a stoichiometric gaseous fuel-air mixture within a predetermined tolerance.
本発明の好適例では、前記少なくとも1つの吸気流路を第1の吸気流路及び第2の吸気流路とし、前記少なくとも1つの吸気弁を第1の吸気弁及び第2の吸気弁とする。燃焼装置は更に、気体燃料を受ける噴射弁及び受けた気体燃料をこの噴射弁から放出する第1の吸気流路及び第2の吸気流路と流体連通している分流器を具えるようにする。分流器は、ボアを有する本体及び一対の導管を有するようにする。ボアは噴射弁と流体連通しており、各導管はボアに流体連通しているとともに第1の吸気流路及び第2の吸気流路のそれぞれ1つと流体連通しているようにする。 In a preferred embodiment of the present invention, the at least one intake passage is a first intake passage and a second intake passage, and the at least one intake valve is a first intake valve and a second intake valve. . The combustion apparatus further includes an injection valve that receives the gaseous fuel, and a shunt that is in fluid communication with the first intake passage and the second intake passage that discharges the received gaseous fuel from the injection valve. . The shunt has a body having a bore and a pair of conduits. The bore is in fluid communication with the injection valve, and each conduit is in fluid communication with the bore and in fluid communication with one each of the first intake flow path and the second intake flow path.
内燃エンジンはエンジンブロック及び吸気マニホールドを有し、前記少なくとも1つの吸気流路を第1の吸気流路及び第2の吸気流路とする。本発明の他の好適例では、燃焼装置が更に、シリンダボアを囲んで配置した6個のボルトを有し、これらボルトによりエンジンブロックに対しシリンダヘッドを保持するようにする。第1の吸気流路及び第2の吸気流路は、吸気マニホールドから燃焼室に向かって前記ボルトの1つの両側にそれぞれ沿って延在させる。 The internal combustion engine has an engine block and an intake manifold, and the at least one intake passage is a first intake passage and a second intake passage. In another preferred embodiment of the invention, the combustion device further comprises six bolts arranged around the cylinder bore, which hold the cylinder head against the engine block. The first intake flow path and the second intake flow path extend along both sides of one of the bolts from the intake manifold toward the combustion chamber.
燃料噴射弁からの気体燃料の流れを分流する新たな気体燃料分流器は、燃料噴射弁と流体連通しているボアを有する本体部分と、ボアと流体連通している第1の導管及び第2の導管とを有するようにする。気体燃料の流れはそれぞれ第1の導管及び第2の導管における第1の流れ及び第2の流れに分流されるようにする。本発明の好適例では、燃料噴射弁を燃料噴射器の一部分とし、ボアはこの燃料噴射器のノズルを収容するように構成する。他の好適例では、第1の導管及び第2の導管をボアの長手軸線に対し実質的に直交させるか、又は本体と第1の導管及び第2の導管とを一体化した構成要素とするか、或いはこれらの双方を達成させる。 A new gaseous fuel shunt for diverting the flow of gaseous fuel from the fuel injector includes a body portion having a bore in fluid communication with the fuel injector, a first conduit and a second fluid in fluid communication with the bore. A conduit. The gaseous fuel flow is split into a first flow and a second flow in the first conduit and the second conduit, respectively. In a preferred embodiment of the invention, the fuel injection valve is part of the fuel injector and the bore is configured to accommodate the nozzle of the fuel injector. In other preferred embodiments, the first conduit and the second conduit are substantially perpendicular to the longitudinal axis of the bore, or the body and the first conduit and the second conduit are integrated components. Or achieve both.
気体燃料式内燃エンジン用の改善した吸気マニホールドは、内燃エンジンの空気の吸気と流体連通している第1の分配室と、内燃エンジンの各燃焼室に対する少なくとも1つの吸気流路と流体連通している第2の分配室と、第1の分配室及び前記第2の分配室を流体連結する拡散器とを有するようにする。第1の分配室は中央に位置する注入口を有し、第1の分配室の外側輪郭部は注入口の両側で拡散器に向かって先細りとなっているようにすることができる。拡散器は、第1の分配室に比べて減少した流量範囲を有するスロットを具えるようにする。本発明の好適例では、第2の分配室が、各燃焼室に対し2つの吸気流路と流体連通しているようにする。 An improved intake manifold for a gas fueled internal combustion engine is in fluid communication with a first distribution chamber in fluid communication with the intake air of the internal combustion engine and at least one intake passage for each combustion chamber of the internal combustion engine. A second distribution chamber, and a diffuser for fluidly connecting the first distribution chamber and the second distribution chamber. The first distribution chamber may have a central inlet and the outer contour of the first distribution chamber may be tapered toward the diffuser on both sides of the inlet. The diffuser comprises a slot having a reduced flow range compared to the first distribution chamber. In a preferred embodiment of the invention, the second distribution chamber is in fluid communication with two intake channels for each combustion chamber.
気体燃料式内燃エンジン用の吸気ポート及び弁座装置は、−5°〜+5°の範囲内である、ポート角と弁座角との間の差を有するようにする。弁座角は25°〜35°の範囲内とし、好適例では、弁座角を実質的に30°とする。弁座と関連する弁部材が開放位置にある場合には、吸気ポート中の流れが実質的に弁部材の上面に向けて押圧されるようにする。 Intake ports and valve seat devices for gas fueled internal combustion engines have a difference between the port angle and the valve seat angle that is in the range of -5 ° to + 5 °. The valve seat angle is in the range of 25 ° to 35 °, and in a preferred example, the valve seat angle is substantially 30 °. When the valve member associated with the valve seat is in the open position, the flow in the intake port is forced substantially toward the upper surface of the valve member.
改善した気体燃料式内燃エンジンは、シリンダヘッドと、シリンダボアを有するエンジンブロックと、シリンダボアと関連するピストンとを有するようにする。このピストンと、シリンダボアと、シリンダヘッドとで燃焼室を規定する。第1の組の6個のボルトを、エンジンブロックに対しシリンダヘッドを保持するためにシリンダボアを囲むように配置し、好ましくは、6角形パターンに配置する。第1の吸気流路及び第2の吸気流路は吸気マニホールドから燃焼室に向かって前記ボルトの1つの両側にそれぞれ沿って延在させる。本発明の好適例では、他のシリンダボアと、この他のシリンダボアを囲んで配置された第2の組の6個のボルトとを設ける。又、一対のボルトが第1の組及び第2の組のボルトに対し共通となるようにする。 The improved gaseous fuel internal combustion engine includes a cylinder head, an engine block having a cylinder bore, and a piston associated with the cylinder bore. A combustion chamber is defined by the piston, the cylinder bore, and the cylinder head. A first set of six bolts are arranged to surround the cylinder bore to hold the cylinder head relative to the engine block, preferably in a hexagonal pattern. The first intake passage and the second intake passage extend along one side of the bolt from the intake manifold toward the combustion chamber. In a preferred embodiment of the invention, another cylinder bore and a second set of six bolts disposed around the other cylinder bore are provided. Also, the pair of bolts are made common to the first set and the second set of bolts.
図面を参照するに、最初に図1及び2を参照するに、これらの図には本発明の第1の実施例による気体燃料燃焼装置15を有するエンジン10を示している。吸気マニホールド100は、プレナム室としても知られている第1の分配室110及び第2の分配室120を有しており、これらの分配室は拡散器130を介して互いに流体連結されている。第1の分配室110はスロットル140と流体連通してエンジン10の空気の吸気から空気チャージを受けるようになっており、エンジン10が排気ガス再循環(EGR)を採用している場合には、EGR弁150が排気ガスを、空気の吸気流内に導入するようになっている。1つのシリンダヘッドボルト5の両側にそれぞれ沿って一対の吸気流路20が延在しており、これらの吸気流路20が第2の分配室120を各シリンダ90に対するそれぞれの吸気弁40と流体連結させている。各吸気流路20は、第2の分配室120と、シリンダヘッド240(図8に最良に示している)における吸気ポート24とに連結された吸気ランナー22を有している。図示の実施例では6つのシリンダを示しているが、他の実施例では1つ以上のシリンダを設けることができる。ミディアムデューティエンジン又は大型エンジンに対して代表的であるように、シリンダヘッドボルト5が各シリンダ90を囲んで6角形パターンに配置され、これらボルトのうちの2つが隣接のシリンダ間で共用されている。排気流路30は排気弁50から延在するとともに、図示の例では排気マニホールド160に至る一体化結合された排気流路となるように結合されているが、ここに開示した精神を逸脱することなく他の構成も可能である。各排気流路は、シリンダヘッド240内で排気ランナー32及び排気ポート34を有している(図8に最良に示している)。
Referring to the drawings, and initially referring to FIGS. 1 and 2, these figures show an
吸気マニホールド100は、第1の分配室110から拡散器130を介して第2の分配室120に入る流れを生ぜしめることにより各シリンダ90への空気(及びEGR)のチャージ分配の均等化を改善する特徴を有するように設計されている。第1の分配室110の外側輪郭部115は中央に位置する注入口105の両側で拡散器130に向かって延在し、第2の分配室120に入る前の第1の分配室110に沿うチャージの圧力バランスを改善するようになっている。拡散器130は、第1の分配室110及び第2の分配室120に沿って延在するスロットの形態をしている。流量範囲は拡散器130を横切るように減少されている為、チャージ流は制限されて第1の分配室110の壁部上への流れの衝突を生ぜしめ、第1の分配室110内に乱流及び全体圧力の増大を生ぜしめるとともに第1の分配室110に沿う圧力バランスを達成させる。第1の分配室110内に得られる乱流は空気‐EGRの混合を改善する。
The
ここで図5及び6を参照するに、分流器80は(図5〜8に示す)それぞれの気体燃料噴射器(インジェクタ)170を、導管85を介してそれぞれの吸気流路20に流体連結し、各1つの気体燃料噴射器がそれぞれのシリンダ90に対して対の吸気流路内に同時に気体燃料を導入するようにする。分流器は気体燃料噴射器170が挿入されているボア(孔)を有する本体82を具えている。このボアは、気体燃料噴射器170から受けるとともにこのボアの端部に衝突して圧力を高め導管85を経てそれぞれの吸気流路20内に射出される気体燃料に対するプレナム兼アキュミュレータとしても作用する。好適実施例では、導管85を本体82のボアの長手軸線に対しほぼ直交させる。図示の実施例では、分流器80を一体化した構成要素とするが、他の実施例では、分流器80を組立式の構成要素とすることができ、これらの実施例では、シールのような追加の構成要素を存在させることができる。気体燃料噴射器170は気体燃料源(図示せず)と流体連結されており、指令時に気体燃料を分流器80に導入し、気体燃料‐空気の混合体が関連の吸気弁40を介してシリンダ90内に流れるようにする。本発明の開示では、気体燃料‐空気の混合体を参照しているが、このことは、エンジンの動作条件及び要件に応じて気体燃料‐空気‐EGRの混合体をも参照することを意味するものである。気体燃料源はポート噴射に適した圧力で気体燃料を供給する。好適実施例では、気体燃料源が圧縮天然ガスとして気体燃料を蓄積しているとともに、圧力調整器を用いて蓄積圧力を予め決定したポート噴射圧力に低減させる。気体燃料は、本発明との関連では、20℃及び1気圧( atm)である標準の温度及び圧力で気体状態にある如何なる燃料でもある。代表的な気体燃料は天然ガスである。
Referring now to FIGS. 5 and 6, the
各シリンダ90は、この中で気体燃料‐空気の混合体を点火させる機構を有する。図示の実施例では、この機構を点火装置60により形成する。好適実施例では、好ましい点火装置を(図7に示すような)点火プラグとする。図1を再度参照するに、図示の実施例では、吸気する空気を圧縮するための昇圧装置180を、タービン182とコンプレッサ184とを有するターボチャージャとする。コンプレッサ184の出口はエンジン10の空気の吸気口と流体連結されている。他の実施例では、昇圧装置180を順次のターボチャージャとするか、スーパーチャージャとするか、これらのターボチャージャとスーパーチャージャとの組合せとすることができる。排気マニホールド160はEGR弁150と流体連通しているEGRポート155を有している。他の実施例では、排気マニホールド及びEGR装置を、本願人と共同所有の米国特許仮出願第61/870,203号明細書に開示されているのと同様のものとすることができる。この米国特許仮出願明細書は参考のために導入したものである。
Each
ここで図8及び9を参照するに、各シリンダ90は、エンジンブロック220におけるそれぞれのシリンダボア210と、それぞれのピストン230と、シリンダヘッド240とにより規定されたそれぞれの燃焼室200を具えている。図9を参照するに、各吸気弁40はそれぞれの弁部材42と、吸気ポート24の開口を環状に囲んで延在するそれぞれの弁座26とを有しており、この吸気ポート24を介して吸気チャージが燃焼室200内に流入する。各弁部材42の裏面における環状面44は弁座26と互いに係合して、それぞれの吸気弁40が閉じられた際に燃焼室200をそれぞれの吸気流路20から流体封止するようにする。弁座角αは、ポート開口平面25と弁座との間の角度として規定する。好適実施例では、弁座角αを20°〜35°の範囲内とし、好ましくは30°とする。弁座角のこの値の範囲によれば、以下で更に詳細に説明するように、タンブル運動を高めるとともに弁座の摩耗を低減させて耐久性を増大させる。燃焼室200に対するタンブル運動を容易にするために、シリンダヘッド240はシリンダボア210を覆うペントルーフ280を有し、ピストンボウル270を一般的に凹面形状とする。ペントルーフ280の勾配はピストンボウル270の曲率に類似させ、ピストン230が上死点(TDC)にある際に燃焼室230がほぼ対象形状となるようにする。
8 and 9, each
エンジン10はミディアムデューティエンジンである。本発明の開示では、シリンダボア210の直径はミディアムデューティエンジンの場合90mm〜120mmの範囲内となるように規定してある。他の実施例では、シリンダボア210の直径は、例えば、ヘビーデューティエンジンや、機関車、採掘運搬(mine haul )及び海洋用途で用いられているエンジンのようなより大型のエンジンの場合に120mmよりも大きくすることができる。好適実施例では、シリンダボア210の直径とピストン230のストローク長との間の比(ボア対ストローク比)を0.75〜0.95の範囲内にすることにより、効率を犠牲にすることなく出力密度を驚くほど増大させる。実際に、燃焼ガスからシリンダボア210への熱伝達を減少させ、これによりエンジン10のクランク軸へのエネルギー伝達を高めることにより効率が増大した。それぞれのシリンダボア210内で各ピストン230が掃引する容積(行程容積)は0.8リットル〜2.5リットルの範囲内とする。タンブル運動を用いるライトデューティエンジンとは相違して、エンジン10の最大エンジン回転速度はあらゆる動作モードで2700回転/分(rpm )となる。
The
各シリンダ90に対して、吸気流路20の対と、それぞれの吸気弁40と、燃焼室200とが協同して燃焼室内の空気‐燃料の混合体のタンブル運動を確立する。好適実施例では、平均のタンブル比を少なくとも2とする。他の好適実施例では、平均のタンブル比を2〜5の範囲内とする。弁部材42を図9に示すように最大に持上げると、ポートフロア290に沿う流れ(空気、EGR、気体燃料)が弁部材42の上面46に向けて大量に押圧され、図示の実施例の場合、燃焼室200内で逆時計回りのタンブル運動が生ぜしめられるようになる。弁部材42の下面48の下側の如何なる流れによっても、上面46上の流れにより形成される逆時計回りのタンブル運動とは逆に作用する時計回りのタンブル運動を燃焼室200内に生ぜしめる。燃焼室200内の時計回りのタンブル運動を低減させるために、弁が閉(着座)位置にある際に吸気ポート24のポートフロア290を弁部材42の下面48から意図的に離間させ、弁が開位置にある際に流れが殆ど弁部材42の上面46上を通過するようにする。ポートフロア290とシリンダの横断面35との間の角度として規定した吸気ポート24のポート角θは、空気が燃焼室200に入る際の流れ方向における不均一性や急激な変化を減少させ、好ましくは最少にして吸気ポート特性を改善するための予め決定した許容範囲内の弁座角αに等しい。好適実施例では、ポート角θと弁座角αとの間の差は+/−5°よりも小さくする。流れの方向における変化は、流れ方向におけるロードブロックとして作用する圧力降下部を生ぜしめる。図10を参照するに、この図10には、吸気ポート24の横断面に沿って断面として弁部材42を完全に開放した状態で燃焼室200内を見うるようにした、この吸気ポートの断面図を示している。この図は、燃焼室200内にタンブル運動を発生させるための弁部材42の上面46上の流れの強い押圧を示すものである。弁ポート24の横断面形状は一般に、隅部を丸くした正方形とする。ポート角θと、弁座角αと、吸気ポート24の形状とは、燃焼室200内の気体燃料‐空気の混合体のタンブル運動を高めるために互いに協調するものである。
For each
気体燃料‐空気の混合体の乱流運動エネルギーは、燃焼室200内に得られるタンブル運動がスワール空気運動の燃焼室及び静止状態の燃焼室に比べて圧縮され、乱流運動エネルギー内でのブレークダウンを改善する為に増大する。この混合体の乱流火炎速度は、乱流混合体内の局所的な層流火炎前面と同様に増大する。火炎速度が増大する為に、ノック限界が増大し、従って、高圧縮比を採用することにより効率を改善することができる。圧縮比の範囲は11対1(11:1)〜15対1(15:1)とするのが好ましい。高EGR率時に冷却したEGRによりエンジンを動作させることにより、ノックが生じるおそれを低減させるとともに、作動ガスの比熱比を増大させてオットー効率を改善する。圧縮比を約15対1よりも大きくすることにより、圧縮時の熱損失が膨張により復帰しうる熱よりも大きい収穫逓減(diminishing returns )状態を呈する。圧縮点火エンジンは15対1よりも大きい圧縮比を採用して低温始動性能を改善するが、このことは火花点火式エンジンにとっては必要としない。圧縮点火エンジンに比べて圧縮比を小さくすると、ピストン及び軸受けの寸法を小さくでき、従って、摩擦を低減させて効率を改善する。
The turbulent kinetic energy of the gaseous fuel-air mixture is determined by the fact that the tumble motion obtained in the
12対1の圧縮比で天然ガスを燃料供給したテストセルにおいて図示の本発明の実施例のエンジンを動作させ、トルクデータをエンジン回転速度のある範囲に対して記録した。図11のグラフ線図は、同様の排気量(7.7リットル)とするが圧縮比を17.5対1としたVolvo D8K 350 型のディーゼル圧縮点火エンジン及び8.9リットルの排気量を有するCWI ISL-G 型の火花点火式天然ガスエンジンに対するトルク曲線を対比した記録データを示す。驚いたことに、本発明の実施例のエンジンは、排気量をかなり大きくした他の火花点火式のガスエンジン(ISL-G )よりも効率において優れていることが分かった。通常は、圧縮比を高くしたディーゼルエンジンは高い性能及び効率をもたらすことが期待されるであろう。図11の曲線が示すように、図示の本発明の実施例のエンジンに対するトルクは、圧縮比をより大きくしたディーゼルエンジンよりも、検査したエンジン回転速度の範囲に亘って優れるものとなった。Volvo D8K 350 型のディーゼル圧縮点火エンジン(以後ディーゼルエンジンと称する)は、エンジン10が化学量論の空気‐燃料比で又はその付近で動作する希薄燃焼モードで動作する。このディーゼルエンジンの動作は、過剰の空気で動作して排気煙を回避するようにする必要があるエンジン10とは異なるものである。この場合、このディーゼルエンジンのターボチャージャは、出力及びトルクに対し(ほぼ)丁度の空気を供給する化学量論のエンジン10と同じ出力及びトルクに対し必要とする過剰空気を供給するためには昇圧装置180に比べて著しく大きくする必要がある。その結果、昇圧装置180は、ディーゼルエンジンに比べて著しく小さいターボチャージャを採用し、これによりエンジン10が必要とする(ディーゼルエンジンに比べて)少量の昇圧を生じるのに迅速にスプールアップしうるようにすることができる。エンジン10の回転速度はあらゆる動作モードで2700rpm より低く保たれる。エンジンの回転速度を低くして動作させると、摩擦により損失されるエネルギーを低減させることにより燃料の節約が改善される。昇圧装置180は、吸気マニホールド100内の圧力を高め、これにより各点火事象に対する燃焼室200内の燃焼のために得られる酸素量を増大させることにより、低速のエンジン回転速度を補償する。
The engine of the illustrated embodiment of the present invention was operated in a test cell fueled with natural gas at a 12: 1 compression ratio and torque data was recorded for a range of engine speeds. The graph diagram of FIG. 11 has a Volvo D8K 350 diesel compression ignition engine with a similar displacement (7.7 liters) but a compression ratio of 17.5 to 1 and a displacement of 8.9 liters. Recorded data comparing torque curves for a CWI ISL-G spark ignition natural gas engine. Surprisingly, it has been found that the engine of the embodiment of the present invention is superior in efficiency to other spark-ignition gas engines (ISL-G) with a considerably larger displacement. Normally, a diesel engine with a high compression ratio would be expected to provide high performance and efficiency. As shown by the curve in FIG. 11, the torque for the engine of the illustrated embodiment of the present invention was superior over the range of engine speeds examined than the diesel engine with a higher compression ratio. The Volvo D8K 350 diesel compression ignition engine (hereinafter referred to as a diesel engine) operates in a lean combustion mode in which the
ここで図12を参照するに、この図には本発明の第1の実施例に類似する第2の実施例による気体燃料燃焼装置21を有するエンジン11を示しており、この第2の実施例では、第1の実施例と同様な部分には第1の実施例と同じ参照数字を付し、存在するその詳細な説明は省略する。直接噴射器65は気体燃料を燃焼室200内に直接導入し、分流器80が不要となるようにする。これらの直接噴射器65はそれぞれのシリンダ90の中央に形成するか、又は吸気弁40の方向にずらすようにすることができる。或いはまた、これらの直接噴射器65を、シリンダボア210の壁部内に形成した噴射器(図示せず)に代えることができる。
Referring now to FIG. 12, this figure shows an engine 11 having a gaseous fuel combustion device 21 according to a second embodiment similar to the first embodiment of the present invention, this second embodiment. Then, the same reference numerals as those in the first embodiment are attached to the same parts as those in the first embodiment, and the detailed description thereof is omitted. The direct injector 65 introduces gaseous fuel directly into the
ここに開示した技術によれば、気体燃料式内燃エンジンは同様な排気量の圧縮点火ディーゼルエンジンよりも良好に機能しうる。このことにより、出力及びトルクを犠牲にすることなく、気体燃料式内燃エンジンを排気量に関して従来の内燃エンジンに比べて小型化する。ある状態では、シリンダの個数を少なくし、これによりエンジンの寸法を著しく小さくし且つ燃料の節約を高めるようにさえしうる。 According to the technology disclosed herein, a gas fueled internal combustion engine can perform better than a compression ignition diesel engine of similar displacement. This makes the gas-fueled internal combustion engine smaller with respect to displacement compared to conventional internal combustion engines without sacrificing power and torque. In some situations, the number of cylinders can be reduced, thereby significantly reducing the size of the engine and increasing fuel economy.
上述したところでは、本発明の特定の要素、実施例及び適用分野を開示し且つ説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。その理由は、特に上述した技術の観点において本発明の開示範囲から逸脱することなく当業者により変更を行い得る為である。 Although specific elements, embodiments and fields of application of the present invention have been disclosed and described above, the present invention is not limited to these. The reason is that modifications can be made by those skilled in the art without departing from the scope of the present disclosure, particularly in view of the above-described technique.
Claims (40)
チャージを前記燃焼室に供給するための少なくとも1つの吸気流路と、
前記シリンダヘッド内に形成され、前記吸気流路と協同して前記燃焼室内に顕著なタンブルの流れ運動を生ぜしめる少なくとも1つの吸気弁と
を具えている気体燃料式内燃エンジン用燃焼装置。 A combustion chamber defined by a cylinder bore, a cylinder head, and a piston that reciprocates within the cylinder bore, wherein the cylinder bore has a diameter of at least 90 mm, and a ratio between the diameter and the stroke length of the piston is increased. A combustion chamber of 0.95,
At least one intake channel for supplying charge to the combustion chamber;
A combustion apparatus for a gas fuel type internal combustion engine, comprising at least one intake valve formed in the cylinder head and causing a significant tumble flow motion in the combustion chamber in cooperation with the intake flow path.
前記内燃エンジンの空気の吸気と流体連通している第1の分配室と、
前記少なくとも1つの吸気流路と流体連通している第2の分配室と、
これら第1の分配室と第2の分配室とを流体連結する拡散器と
を有している燃焼装置。 The combustion apparatus of claim 1, wherein the combustion apparatus further comprises an intake manifold, wherein the intake manifold is
A first distribution chamber in fluid communication with the intake air of the internal combustion engine;
A second distribution chamber in fluid communication with the at least one intake flow path;
A combustion apparatus having a diffuser for fluidly connecting the first distribution chamber and the second distribution chamber.
前記少なくとも1つの吸気流路が第1の吸気流路及び第2の吸気流路であり、前記少なくとも1つの吸気弁が第1の吸気弁及び第2の吸気弁であり、
前記燃焼装置は更に、気体燃料を受ける前記噴射弁と流体連通している分流器であって、受けた気体燃料をこの噴射弁から放出する前記第1の吸気流路及び第2の吸気流路と流体連通している当該分流器を具えている
燃焼装置。 The combustion apparatus according to claim 1, wherein
The at least one intake passage is a first intake passage and a second intake passage, and the at least one intake valve is a first intake valve and a second intake valve;
The combustion device is further a shunt that is in fluid communication with the injection valve that receives gaseous fuel, the first intake flow path and the second intake flow path for discharging the received gaseous fuel from the injection valve. And a combustor comprising the shunt in fluid communication with the combustor.
前記内燃エンジンがエンジンブロック及び吸気マニホールドを有し、前記少なくとも1つの吸気流路が第1の吸気流路及び第2の吸気流路であり、
前記燃焼装置は更に、前記シリンダボアを囲んで配置された6個のボルトを有し、これらボルトにより前記エンジンブロックに対し前記シリンダヘッドを保持するようになっており、前記第1の吸気流路及び第2の吸気流路は前記吸気マニホールドから前記燃焼室に向かって前記ボルトの1つの両側にそれぞれ沿って延在している
燃焼装置。 The combustion apparatus according to claim 1, wherein
The internal combustion engine has an engine block and an intake manifold, and the at least one intake passage is a first intake passage and a second intake passage;
The combustion device further includes six bolts disposed around the cylinder bore, and the bolts hold the cylinder head with respect to the engine block by the bolts. The second intake channel extends from the intake manifold toward the combustion chamber along each side of one of the bolts.
前記燃料噴射弁と流体連通しているボアを有する本体部分と、
前記ボアと流体連通している第1の導管及び第2の導管と
を有する当該気体燃料分流器において、
前記気体燃料の流れがそれぞれ前記第1の導管及び第2の導管における第1の流れ及び第2の流れに分流されるようになっている気体燃料分流器。 A gas fuel diverter for diverting a flow of gaseous fuel from a fuel injection valve, the gaseous fuel diverter comprising:
A body portion having a bore in fluid communication with the fuel injector;
A gaseous fuel diverter having a first conduit and a second conduit in fluid communication with the bore;
A gaseous fuel diverter adapted to divert the flow of gaseous fuel into a first flow and a second flow in the first conduit and the second conduit, respectively.
前記内燃エンジンの空気の吸気と流体連通している第1の分配室と、
前記内燃エンジンの各燃焼室に対する少なくとも1つの吸気流路と流体連通している第2の分配室と、
前記第1の分配室及び前記第2の分配室を流体連結する拡散器と
を有している吸気マニホールド。 An intake manifold for a gas fuel type internal combustion engine,
A first distribution chamber in fluid communication with the intake air of the internal combustion engine;
A second distribution chamber in fluid communication with at least one intake passage for each combustion chamber of the internal combustion engine;
An intake manifold having a diffuser fluidly connecting the first distribution chamber and the second distribution chamber.
シリンダボアを有するエンジンブロックと、
前記シリンダボアと関連するピストンであって、このピストンと、前記シリンダボアと、前記シリンダヘッドとで燃焼室を規定している当該ピストンと、
前記シリンダボアを囲んで配置され、前記エンジンブロックに対し前記シリンダヘッドを保持する第1の組の6個のボルトと、
吸気マニホールドから前記燃焼室に向かって前記ボルトの1つの両側にそれぞれ沿って延在している第1の吸気流路及び第2の吸気流路と
を具えている気体燃料式内燃エンジン。 A cylinder head;
An engine block having a cylinder bore;
A piston associated with the cylinder bore, the piston defining the combustion chamber with the piston, the cylinder bore, and the cylinder head;
A first set of six bolts disposed around the cylinder bore and holding the cylinder head against the engine block;
A gas-fueled internal combustion engine comprising a first intake passage and a second intake passage that extend along each side of one of the bolts from an intake manifold toward the combustion chamber.
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